高端装备腔体内表面缺陷γ光子3D成像关键技术研究

An accurate 3D imaging and detection method based on positron annihilation technology for internal surface defect detection is researched in this project. It aims at the problem of detection of the internal surface defects of the high-end equipments, such as engines and hydraulic systems, which work in high temperature, high pressure or other extreme environments. In this project the successful application of PET in medicine is refered, the detection principle of PET is studied and the influence of industrial application of metal materials is considered. According to the metal materials, it is difficult to use PET/CT or PET/MRI as used in medcine. Severe scattering exists in metal materials with γ ray radiation. So this project is to improve the PET imaging accuration without the assistants of CT and MRI and to reduce the effect of scattering. In this project, the solution is seeked from the theoretical research in data acquisition, rebinning algorithm and image reconstruction.The research focuses on how to improve the detection accuracy of line of response (LOR), how to improve the accuracy of image reconstruction. The single and multiple SS models will be researched in 2D and 3D data acquisition mode respectively with the attenuation factor of γ photons as a parameter so as to realize the scattering correction of γ photons to improve the imaging accuracy of PET. This project will solve the problem of internal defect detection with the unique characteristics of PET which is difficult to be solved by traditional means of detection.

针对在高温高压密闭环境下运行的诸如发动机、液压系统等高端装备的腔体内部表面缺陷检测的难题，提出一种基于正电子湮没技术的腔体内表面缺陷γ光子精确3D成像与检测方法。本项目参考PET在医学中的成功应用，依据PET的检测原理，考虑工业检测中对金属材质难以实现CT、MRI辅助成像手段，金属材质散射严重等情况，从PET层析成像的成像机理出发，以提高成像精度，减小散射影响为主要目的，从数据的采集到数据的重组和重建几个关键技术中，从理论上研究提高γ光子检测符合响应线的检测精度、提高空间符合响应线的重组精度、提高图像重建精度的方法，通过构建一种γ光子在2D、3D数据采集模式下的单次、多次SS散射校正模型，同时将γ光子在材料内能量衰减因素作为模型参量，实现γ光子在致密材料中散射校正的目的。以提高PET对工业设备内腔的成像精度，实现内腔及内表面缺陷的成像与检测。

很多高端复杂装备工作在复杂恶劣的工作环境下，例如航空发动机工作在高温、高压、高转速的恶劣服役环境中，承受着复杂的交变载荷和环境介质的腐蚀及氧化等作用，在反复疲劳载荷作用下，材料表面或内部将萌生一种或多种类型的微观缺陷，如孔洞、微裂纹、滑移及位错等。因此，高端装备的发展亟需一种完备的无损检测方法能够定性、定量地分析检测这些装备的内表面缺陷。本项目提出并研究了一种基于正电子湮没技术的腔体内表面缺陷γ光子精确3D成像与检测方法。针对复杂装备内部三维成像的特点，建立了三维空间符合响应线的精确投影重组方法。根据PET环形探测器几何特点和符合响应线特点，解决了在大轴向视野条件下，符合响应数据截断的问题，增加了有效响应线数据；建立了考虑飞行时间的三维符合响应数据在多轴向切片的重组算法，提高了γ光子湮没位置估计精度，建立了高精度的数据重组算法。为了提高缺陷检测空间分辨率，针对小尺寸探测晶体条存在γ光子穿越晶体条的问题，建立了双晶体条的γ光子成像模型，实现了双晶体条穿越检测的偏移误差和角度误差修正，提高了γ光子检测精度。通过将保护缺陷特性的各项异性的滤波算法加入到γ光子成像图像重建算法中，解决了迭代成像算法多次迭代后图像质量退化，边缘模糊的问题，提高了对缺陷的成像精度。针对金属材料散射降低成像精度的问题，建立了γ光子在探测器间的散射、衰减校正数学模型；通过散射校正解决了成像中的图像模糊、伪影等散射干扰问题，提高了成像精度。本项目研究的γ光子成像检测技术作为一种新的无损检测手段，解决了高端设备密闭腔体内部的缺陷检测的难题，开发研制的工业γ光子探测仪通过了江苏省计量科学研究院计量测试并获得了计量授权证书。并且该技术有望解决发动机异常检测、燃烧室流场检测等诸多常规手段难以解决的难题。